교실 밖에서 듣는 바이오메디컬공학

교실 밖에서 듣는 바이오메디컬공학 - 한양대 공대 교수들이 말하는 미래 의공학 기술
임창환 외 지음 / Mid(엠아이디) / 2021년 12월

 

한양대 공대 교수들이 말하는 미래 의공학 기술

전문분야 서적에 강점을 가지는 MID(Man In Deepsmart)에서 출판한 임창환 외 한양대학교 바이오메디컬공학과 교수진이 집필한 <교실 밖에서 듣는 바이오메디컬공학>은 우리의 미래를 바꿀 34가지 공학 기술을 소개한다.

정확하게는 의공학 기술에 관한 이야기다. 아이의 입시로 의료계의 진료에 관해 알아보던 중, 요즘 의료계의 트렌드가 의학과 공학의 융합바이오 공학이라는 말을 듣고 바이오메디컬의 미래 청사진이 어떻게 펼쳐질지 궁금했다.

한국인의 기대수명이 100년 전에는 36세였다는 점은 지금 우리가 누리는 수명은 크게 네 가지 덕분이다.

첫째는 위생 환경이 크게 개선되었다. 수세식 화장실과 하수처리 시스템이 보급되면서 전염병을 옮기는 해충과 설치류가 설 자리를 잃었다.

둘째는 약학의 발전으로 항생제와 항바이러스제, 그리고 다양한 만성질환을 관리하던 질병으로부터 자유로워졌다.

셋째는 풍부한 영양분의 공급이다. 조선 시대 27명의 왕의 평균 수명이 47세이고, 백성의 평균 수명은 24세였다고 하니 풍부한 음식을 섭취하는 것이 얼마나 중요한지 알 수 있다.

마지막으로 의료기술의 발전이다. 암이나 당뇨병, 심장질환 등의 치명적인 질병을 조기에 진단하고 치료할 수 있는 의료기술이 발전해 인간의 수명이 획기적으로 늘었다.

세계 최고의 의료기기 회사인 미국 메드트로닉의 설립자 얼 바켄은 2009년 미니아폴리스에서 개최된 국제 바이오메디컬 공학 학술대회에서 기조강연을 통해 메드트로닉이 그간 개발한 인공심장박동기와 인슐린펌프로 인해 전 인류의 평균 수명이 2년 이상 늘어난 것으로 조사됐다고 발표했다.

메드트로닉 덕분에 개인적으로 아버지도 몇 차례 관상동맥 확장을 위한 스턴트를 삽입할 수 있었으니 새로운 의료기술을 만들어내는 주역은 의사도 간호사도 아닌 바로 바이오메디컬 공학을 연구하는 공학자들이다.

가장 먼저 우리 몸을 진단하기 위한 뢴트겐의 X-레이 검사를 한 지가 130년도 지나지 않았지만, 우리는 몸을 촬영하는 기술을 극도로 발달했다. 뢴트겐이 아내의 손을 촬영할 때만 해도 이 빛이 무엇인지 모른다는 뜻에서 ‘X’를 써서 X-레이라 불렀다.

X-레이를 여러 방향에서 쏘아서 얻은 여러 장의 영상을 합성하면 3차원 영상을 만들어낼 수 있다고 생각해 만들어 낸 것이 CT(computer tomography)이다.

‘단층’이라는 의미와 ‘새기다’라는 의미의 합성어인 단층촬영은 의료분야의 용어로 우리에게 익숙하지만, 고고학, 양자정보학, 재료공학, 지구물리학 등 다양한 분야에서 활용된다.

CT는 적분 원리를 사용하고 단순화된 신체를 단면으로 생각해 4X4의 격자로 나누었을 때 광선을 신체의 네 방향으로 투과하면 네 장의 필름을 얻을 수 있다. 필름상에 나타난 영상을 사이노그램이라 한다.

사이노그램에 나타난 적분 결과를 수학적으로 계산해서 신체 내부의 16개 격자값을 알아낼 수 있고, 투과된 광선이 적분되면서 Rf 결과로 나타나는 과정을 라돈 변환이라 한다.

라돈 변환을 거꾸로 적용하여 도로 격자값을 끄집어내는 것을 라돈 역변환이라 하고 CT란 촬영된 여러 장의 2차원 사이노그램을 라돈 역변환하여 신체 내부의 3차원 공간 정보로 재구성하는 알고리즘이라 할 수 있다.

뇌, 목, 허리디스크처럼 부드러운 신체 부위를 들여다보기 위해 핵자기공명영상(Nuclear Magnetic Resonance Imaging)이라는 물리 현상을 이용해 사람의 몸속을 들여다보는 장치이다. MRI가 개발되고 있던 1970년대는 냉전 시대여서 ‘핵’이라는 단어가 주는 거부감을 없애기 위해 자기공명이라는 단어를 사용했다.

요즘 병원에 암진단을 위해 자주 사용하는 PET를 자주 촬영한다. PET는 주도 동위원소 F을 포도당에 결합한 방사성추적자를 사용한다. 포도당은 에너지 대사가 많은 곳에 많이 모이기 때문에 에너지 대사가 활발한 암을 검출하는 데 매우 유용하다.

특히 PET나 MRI의 융합기술 관련해 ‘우리나라 과학분야 한국인 최초 노벨상 후보’를 이야기할 때 항상 1순위로 거론되는 조장희 교수님이 1975년에 원형 형태의 PET을 세계 최초로 개발했다.

장애를 가지게 되어 신체를 잃은 사람을 위한 근전 인터페이스는 <어벤져스>의 윈터 숄저 같은 전자의수를 만들어내기에 이르렀다. 이는 근전 인터페이스라는 기술 덕분인데, 근육에서 발생하는 전류를 근전도라고 부른다. 피부에 전기 신호를 측정할 수 있는 전극을 여러 개 붙인 채로 서로 다른 손동작을 취하면 각각의 전극에 독특한 패턴의 근전도가 측정된다.

시력을 잃은 사람에게는 인공시각의 신경신호 변화를 관찰해 전기자극으로 생성되는 신경신호의 크기나 신경신호의 일관성이 감소하지만, 정상적인 망막에서는 동일한 자극에 대해 생겨나는 신경신호가 매우 비슷하다는 결과도 확인했다.

무엇보다 가장 돋보이는 분야는 뇌과학 분야다.

뇌의 특정 영역에 전기를 흘려보내 치료가 주목받고 있다. 뇌심부자극술은 퇴행성 뇌질환으로 발생하는 파킨슨병이나 심리 상태에 따라 특히 행동을 보이는 뚜렛증후군도 치료에 효과가 있는 것으로 나타난다.

최근에는 인간의 기억과 관련이 있는 해마 부위의 내후각피질에 전기자극을 가했더니 기억력이 좋아진다는 보고가 있다. 이는 치매 환자를 치료할 가능성을 열어 보여준 것이다.

2021년 4월, 유튜스에서 테슬라의 창업자 일론 머스크가 공개한 동영상이 화제를 모았다. 머스크가 설립한 뇌연구 스타트업 ‘뉴럴링크’에서 머릿속에 전극을 심고 생각만으로 컴퓨터 게임을 하는 원숭이를 선보인 것이다. 원숭이의 운동영역에 심어진 전극으로부터 얻어진 신경신호를 통해 커서가 컨트롤되고 있었던 것이다.

이것이 요즘 뇌공학자들이 관심있게 연구하고 있는 뇌-기계 인터페이스기술(Brain-Machine Interface, BMI)이다. 이제 우리는 BMI 기술이 전기차처럼 머지않아 현실이 될 수 있지 않을까 기대하게 되었다.

<교실 밖에서 듣는 바이오메디컬공학>를 읽는 동안 바이오 분야와 메디컬 분야의 필요에 맞는 기술을 만드는 공학자의 역할이 중요하다는 점을 알았다. 현재 의료계나 바이오 분야와 관련해 관심을 가진 청소년이나 성인이라면 <교실 밖에서 듣는 바이오메디컬공학>을 읽어보시길 추천합니다.

- 이 글은 출판사에서 도서를 지원받아 주관적으로 작성하였습니다.

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